Für Sensordatenübertragung im IIoT: Geteilte Telegramme für robustes LPWAN

Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS hat mit »Mioty« eine neue LPWAN-Technologie entwickelt, die dank eines zuverlässigen, robusten Verfahrens Daten von einigen hunderttausend Sensoren effizient und energiesparend auch über große Distanzen sicher übertragen kann.

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Die Netzwerkarchitektur von Mioty ist hauptsächlich durch Software definiert

Anwendungen in der Fernüberwachung von großen Industrieanlagen, Gebäuden oder Betriebsgeländen sowie Smart-City-Lösungen sind für den Einsatz eines Low-Power-Wide-Area-Netzwerks (LPWAN) prädestiniert. Technologien wie LoRa, Weightless und Sigfox buhlen bereits um die Gunst der Anwender und haben zum Teil schon beachtliche Flächenabdeckungen erreicht. Mit NB-IoT hat das 4G/5G-Mobilfunklager ebenfalls das Interesse an diesem Markt dokumentiert. Jetzt will auch Mioty hinzustoßen.

Eine Hürde für Neueinsteiger auf diesem Markt ist die Unterstützung durch Halbleiter-Hersteller. Hier hat Mioty ein leichtes Spiel, da es eine hardwareunabhängige Software-lösung ist, die in die ETSI-Standardisierung (European Telecommunications Standards Institute) für Low-Throughput-Netzwerke eingebracht wurde. Auf der Sensor-/IoT-­Node-Seite sind Transceiver von Texas In­struments, Silicon Labs und On Semi getestet und benötigen eine 16-bit-MCU als Host. Auf der IoT-Hub-Seite wird ein SDR-Front-End (Software Defined Radio) benötigt; Fraunhofer bietet Support unter anderem für Fun­cube Dongle, SDR Play RSP2, Airspy Mini, USRP B200mini und Lime SDR. Als Host wird dafür ein x86-Prozessor benötigt (mindestens Intel Atom).

Kommerzieller Standard
für drahtlose IIoT-Konnektivität

»Die Mioty-Technologie wurde über mehrere Jahre als herstellerunabhängige Software­lösung für die LPWAN-Kommunikation entwickelt und wir glauben an ihr hohes Potenzial, der kommerzielle Standard für drahtlose IIoT-Konnektivität zu werden«, erklärt Michael Schlicht, Leiter des Bereichs Kommunikationssysteme am Fraunhofer IIS. Mioty nutzt das lizenzfreie 868-MHz-Band für Europa und das 915-MHz-Band für Nordamerika. Da diese Bänder bereits gut besetzt sind und die funktechnisch anspruchsvollen industriellen Einsatzumgebungen erschwerend hinzukommen, legte Fraunhofer besonderen Wert auf eine hohe Störfestigkeit. Erreicht wird dies durch das weltweit patentierte Telegram-Splitting-Verfahren: Es zerlegt ein Datenpaket in zahlreiche Teilpakete und verteilt diese über Zeit und Frequenz. Die deutlich reduzierte Telegrammlänge ermöglicht eine wesentlich höhere Immunität gegen Störungen aus dem eigenen und insbesondere aus anderen im freien Spektrum arbeitenden Systemen.

Zusätzlich wird jedes einzelne Sub-Paket mit einem separaten Symbol versehen, um die Erkennbarkeit durch die Basisstation zu optimieren; eine zusätzliche Kanalcodierung kompensiert bis zu 50 % Verlust von Sub-Paketen. So sind die störungsresistente Datenübertragung per Funk von bis zu 1 Mio. Sensoren und der Empfang bis zu 15 km (5 km in der Stadt) hinweg auf einem Gateway möglich. Die maximale Anzahl der Nachrichten beläuft sich auf 1,5 Mio. Meldungen pro Tag – das einzelne Telegramm kann dabei 11 Byte bis 86 Byte lang sein.

Da Mioty nur 200 kHz Bandbreite benötigt, verdient es die Bezeichnung Ultra-Narrow-Band zu Recht. Das Link-Budget ist 154 dB und die Empfängerempfindlichkeit – je nach SDR-Front-End – bei –140 dBm. Fraunhofer geht davon aus, dass so Applikationen mit bis zu 20 Jahre Batterielaufzeit möglich sind. Zudem können die IoT-Nodes sich mit bis zu 80 km/h bewegen. Einzig die Datenübertragungsrate kann mit 407 bit/s nicht sonderlich beeindrucken – für die angestrebten Applikation reicht dies jedoch aus.

Mit dem „Mioty Evalution Kit“ hat das Fraunhofer IIS auch schon eine Referenzimplementierung entwickelt, die Anwendern einen schnellen und reibungslosen Einsatz ermöglicht. Es enthält die Kernkomponenten für den Aufbau eines Netzwerkes wie eine Basisstation, ausgestattet mit der Mioty-Technologie, verschiedene Sensorknoten und Antennen. So kann für erste Testsysteme ein eigenes drahtloses Mioty-Netzwerk aufgebaut werden, das Sensordaten einer großen Anzahl von Sensoren an eine Basisstation sendet und mit weiterer Hardware verknüpft.

Partnerschaft
mit Behr Technologies

Als weltweiter Lizenznehmer der Mioty-Technologie konnte Fraunhofer mit Behr Technologies (BTI) einen Partner gewinnen, der den Markteintritt dieser Technologie motiviert umsetzt. »Mioty adressiert einen riesigen potenziellen Markt mit mehr als 30 Mrd. IIoT-Geräten im Jahr 2020 und 75 Mrd. Geräten bis 2025 – laut IHS Research. Laut Grand View Research überstieg der globale IIoT-Markt im Jahr 2016 100 Mrd. US-Dollar und es wird von 2017 bis 2025 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von über 25 % erwartet. Zusätzlich prognostiziert General Electric für die nächsten 15 Jahre Investitionen in IIoT von über 60 Billionen US-Dollar«, erklärt Albert Behr, CEO von BTI. »Die unterzeichnete globale Fraunhofer/BTI-Lizenzvereinbarung ist die erste Stufe, um die revolutionäre IIoT-Kommunikationstechnologie auf den globalen Markt zu bringen.«

BTI stellt dabei den weltweiten Service und Support von Mioty sicher und arbeitet eng mit Systemintegratoren, Lösungsanbietern sowie Hardware-Herstellern und Cloud-Anbietern zusammen, um die Mioty-Kommunikation für unterschiedliche Industrial-IoT-Lösungen zu liefern. Erste Produkte sollen noch im Laufe des Jahres auf den Markt kommen.